الإشعاع الطبيعي

ماهي الإشعاعات:

النشاط الإشعاعي هو خاصية تظهرها أنواع معينة من المواد المنبعثة للطاقة والجسيمات دون الذرية تلقائيًا ،حيث أنها انبعاث او امتصاص من طاقة الفوتونات أثناء انتقالها من مستوى إلى آخر أعلى أو أقل، وهي سمة من سمات النوى الذرية الفردية.
يوفر النشاط الإشعاعي الطبيعي أدوات اقتفاء في مجموعة واسعة من النطاقات الزمنية المميزة وأنشطة التفاعل، والتي يمكن استخدامها كأدوات لدراسة معدل التفاعل وعمليات النقل في المحيط.
بصرف النظر عن النويدات الكونية والنظائر المشعة طويلة العمر K-40، فإن النشاط الإشعاعي الطبيعي في المحيط مشتق بشكل أساسي من سلسلة الاضمحلال لثلاثة نويدات مشعة، حيث تم إنتاجها في فترة التخليق النووي التي سبقت ولادة نظامنا الشمسي: اليورانيوم 238، الثوريوم -232 واليورانيوم 235 (السلسلة الرابعة، بما في ذلك اليورانيوم -233، قد تلاشت بالفعل)، يتحكم النشاط المتبقي لما يسمى بالنويدات البدائية في قشرة الأرض، ونطاق نصف العمر ونشاط العناصر في مخططات الانحلال، في التوزيع الحالي لنويدات السلسلة U في المحيط.

مصادر الإشعاع الطبيعي:

يأتي إشعاع الخلفية الطبيعي من المصادر الثلاثة التالية:

• الإشعاع الكوني.
  
• إشعاع الأرض.
  
• إشعاع داخلي.
  

الإشعاع الكوني:

ترسل الشمس والنجوم تيارًا مستمرًا من الإشعاع الكوني إلى الأرض، تمامًا مثل رذاذ المطر المستمر، يمكن للاختلافات في الارتفاع والظروف الجوية والمجال المغناطيسي للأرض أن تغير كمية (أو جرعة) الإشعاع الكوني الذي نتلقاه.

إشعاع الأرض:

الأرض نفسها هي مصدر للإشعاع الأرضي، إذ أن المواد المشعة (بما في ذلك اليورانيوم والثوريوم والراديوم) توجد بشكل طبيعي في التربة والصخور، يحتوي كل الهواء بشكل أساسي على الرادون، وهو المسؤول عن معظم الجرعة التي يتلقاها الأمريكيون كل عام من مصادر الخلفية الطبيعية.
بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الماء على كميات صغيرة من اليورانيوم المذاب والثوريوم، وجميع المواد العضوية (النباتية والحيوانية) تحتوي على الكربون المشع والبوتاسيوم، يتم تناول بعض هذه المواد مع الطعام والماء، بينما يتم استنشاق مواد أخرى (مثل الرادون).
تختلف الجرعة من المصادر الأرضية في أجزاء مختلفة من العالم، ولكن المواقع التي تحتوي على تركيزات أعلى من اليورانيوم والثوريوم في التربة تحتوي بشكل عام على جرعات أعلى.

إشعاع داخلي:

كل الناس لديهم إشعاع داخلي، بشكل رئيسي من البوتاسيوم المشع -40 والكربون -14 داخل أجسامهم منذ الولادة، وبالتالي فهي مصادر للتعرض للآخرين، الاختلاف في الجرعة من شخص إلى آخر ليس كبيرا مثل ذلك المرتبط بالمصادر الكونية والأرضية.

النشاط الإشعاعي:

النشاط الإشعاعي الطبيعي للأرض يفوق بكثير النشاط الإشعاعي الناتج عن الإنسان، حيث توجد مفاعلات الانشطار الطبيعي على الأرض منذ بلايين السنين وتولدت كميات كبيرة من النشاط الإشعاعي.
يتم إنشاء المفاعلات النووية عندما تكون هناك تركيزات كافية من المواد الانشطارية في الماضي، كان للعديد من أجسام خام اليورانيوم ظروف تسمح بتحويل أجسام خام اليورانيوم إلى مفاعلات نووية طبيعية، لم تعد المفاعلات النووية التي تحدث بشكل طبيعي موجودة؛ لأن اضمحلال المواد الانشطارية 235U قد خفضت نسبة 235U إلى 238U في اليورانيوم الطبيعي إلى أقل من تلك اللازمة للحفاظ على مفاعل نووي، تم العثور على أجسام خام اليورانيوم في جميع أنحاء العالم.
توفر هذه التجارب الطبيعية نظائرها للتخلص من النفايات المشعة، في بعض الحالات، تم تشتيت المواد المشعة الطبيعية والمواد السامة الأخرى، في حالات أخرى، تم احتواء المواد المشعة والمواد السامة الأخرى، حيث يوفر فهمنا لتلك الظروف التي تم فيها عزل المواد السامة والنويدات المشعة من المحيط الحيوي لفترات طويلة من الوقت الكثير من الأساس للثقة في أداء مرافق التخلص.
نظرًا لأنه ليس من العملي إجراء تجارب لآلاف السنين، تلعب النظائر الطبيعية دورًا مهمًا في فهم أداء مواقع التخلص، يمتد استخدام النظائر الطبيعية إلى ما هو أبعد من فهم مواقع التخلص، معظم أشكال النفايات المتقدمة هي أشكال مختلفة من المعادن الطبيعية التي كانت موجودة لفترات طويلة جدًا في البيئة الطبيعية.
وبالمثل، فقد تم اختيار بعض مواد التغليف مثل النحاس لأن هذه المواد في الأشكال الطبيعية كانت موجودة كمواد مستقرة لمليارات السنين، يجب استخدام البيانات التناظرية بحذر ليس لدينا سجلات تاريخية مفصلة للماضي، وبالتالي لا نعرف تمامًا الظروف التي نجت فيها النظائر الطبيعية، ومع ذلك، فإنها توفر البيانات طويلة الأجل الوحيدة لتكملة المعلومات التي تم جمعها في المختبر.

طبيعة الإشعاعات المنبعثة:

انبعاثات أكثر أشكال التحلل الإشعاعي التلقائي شيوعًا هي جسيم ألفا (α) وجسيم بيتا (β) وأشعة جاما (γ) والنيوترينو جسيم ألفا هو في الواقع نواة ذرة هيليوم -4 ، بشحنتين موجبتين تسمى هذه الذرات المشحونة أيونات.
تحتوي ذرة الهليوم المحايدة على إلكترونين خارج نواتها يوازنان هاتين الشحنتين، قد تكون جسيمات بيتا سالبة الشحنة (بيتا ناقص، الرمز e−)، أو موجبة الشحنة (بيتا زائد، الرمز e +)، جسيم بيتا ناقص [β−] هو في الواقع إلكترون تم إنشاؤه في النواة أثناء تحلل بيتا دون أي علاقة بسحابة الإلكترون المدارية للذرة، جسيم بيتا زائد، ويسمى أيضًا البوزيترون، هو الجسيم المضاد للإلكترون.
عندما يتم الجمع بين اثنين من هذه الجسيمات سوف تبيد بعضها البعض، إذ أن أشعة جاما هي إشعاعات كهرومغناطيسية مثل موجات الراديو والضوء والأشعة السينية، ينتج النشاط الإشعاعي بيتا أيضًا النيوترينو ومضاد النوترينو، وهما جسيمات ليس لها شحنة وكتلة قليلة جدًا، يرمز إليها بـ v ,v/على التوالي.
وفي الأشكال الأقل شيوعًا من النشاط الإشعاعي، قد تنبعث شظايا انشطارية أو نيوترونات أو بروتونات، إذ أن شظايا الانشطار هي نفسها نوى معقدة مع ما بين ثلث وثلثي الشحنة Z والكتلة A للنواة الأم.
تعد النيوترونات والبروتونات بالطبع، اللبنات الأساسية لنواة معقدة، لها كتلة وحدة تقريبًا على المقياس الذري ولها شحنة صفرية أو شحنة موجبة للوحدة، على التوالي. لا يمكن للنيوترون أن يوجد طويلا في الحالة الحرة، حيث يتم التقاطه بسرعة بواسطة النوى في المادة خلاف ذلك، في الفضاء الحر سوف يخضع لانحلال بيتا ناقصًا إلى بروتون، وإلكترون، ومضاد نيوترينو بعمر نصف يبلغ 12.8 دقيقة، البروتون هو نواة الهيدروجين العادي وهو مستقر.

أنواع الإشعاع:

حدد العمل المبكر على النشاط الإشعاعي الطبيعي المرتبط بخامات اليورانيوم والثوريوم نوعين متميزين من النشاط الإشعاعي: تسوس ألفا وبيتا.

تسوس ألفا:

في اضمحلال ألفا، يتم إخراج أيون الهيليوم النشط (جسيم ألفا)، مما يترك نواة ابنة ذات عدد ذري ​​اثنين أقل من الأصل، وعدد الكتلة الذرية أربعة أقل من الأصل، مثال على ذلك هو الانحلال لنظير اليورانيوم الوفير 238U، لابنة الثوريوم بالإضافة إلى جسيم ألفا.
يُحيث عطى لهذا التفاعل والتفاعلات اللاحقة الطاقة المنبعثة (Q) بملايين الإلكترون فولت (MeV) ونصف العمر (t1⁄2)، وتجدر الإشارة إلى أن الشحنات أو عدد البروتونات في حالة تحلل ألفا، تكون متوازنة على جانبي المعادلة، وكذلك الكتل الذرية.

بيتا:

في اضمحلال بيتا ناقص، ينبعث إلكترون سالب نشط، ينتج نواة ابنة ذات رقم ذري أعلى ونفس العدد الكتلي، مثال على ذلك هو اضمحلال منتج ابنة اليورانيوم الثوريوم 234 إلى بروتكتينيوم -234.
في رد الفعل لاضمحلال بيتا، يمثل ν مضاد النوترينو، هنا، يزداد عدد البروتونات بواحد في التفاعل، لكن الشحنة الكلية تظل كما هي؛ لأنه يتم أيضًا تكوين إلكترون، بشحنة سالبة.

جاما:

اضمحلال جاما نوع ثالث من الإشعاع، إشعاع جاما، يصاحب عادةً تسوس ألفا أو بيتا، أشعة جاما هي فوتونات وليس لها كتلة أو شحنة سكونية، قد ينتقل تسوس ألفا أو بيتا ببساطة إلى الحالة الأرضية (أقل طاقة) لنواة الابنة دون انبعاث جاما، ولكن قد ينتقل الانحلال أيضًا كليًا أو جزئيًا إلى حالات طاقة أعلى (حالات مثارة) للابنة.
في الحالة الأخيرة، قد يحدث انبعاث جاما عندما تتحول الحالات المثارة إلى حالات طاقة أقل من نفس النواة (بدلاً من انبعاث جاما، قد تتحول النواة المثارة إلى حالة طاقة أقل عن طريق إخراج إلكترون من السحابة المحيطة بالنواة، يُعرف طرد الإلكترون المداري هذا بالتحويل الداخلي ويؤدي إلى إلكترون نشط وغالبًا ما يكون أشعة سينية، مثل تملأ السحابة الذرية المدار الفارغ للإلكترون المقذوف، وتسمى نسبة التحويل الداخلي إلى انبعاث غاما البديل بمعامل التحويل الداخلي).

تطبيقات النشاط الاشعاعي:

في الطب:

لقد وجدت النظائر المشعة استخدامًا مكثفًا في التشخيص والعلاج، وقد أدى ذلك إلى ظهور مجال سريع النمو يسمى الطب النووي، أثبتت هذه النظائر المشعة فعاليتها بشكل خاص كمقتفعات في إجراءات تشخيصية معينة، نظرًا لأن النظائر المشعة متطابقة كيميائيًا مع نظائر ثابتة لنفس العنصر، فيمكنها أن تحل محل الأخير في العمليات الفسيولوجية.
علاوة على ذلك، بسبب نشاطها الإشعاعي، يمكن تتبعها بسهولة حتى بكميات دقيقة باستخدام أجهزة الكشف مثل مطياف أشعة جاما والعدادات المتناسبة، على الرغم من استخدام العديد من النظائر المشعة كمقتفعات، إلا أن اليود 131، والفوسفور 32، والتكنيشيوم 99 م من أهمها.
يستخدم الأطباء اليود 131 لتحديد النتاج القلبي وحجم البلازما وأيض الدهون، ولا سيما لقياس نشاط الغدة الدرقية حيث يتراكم هذا النظير، يعتبر الفوسفور 32 مفيدًا في التعرف على الأورام الخبيثة لأن الخلايا السرطانية تميل إلى تراكم الفوسفات أكثر من الخلايا الطبيعية. يعتبر Technetium-99m، المستخدم مع أجهزة المسح الإشعاعي، مفيدًا لدراسة التركيب التشريحي للأعضاء.
تستخدم النظائر المشعة مثل الكوبالت 60 والسيزيوم 137 على نطاق واسع لعلاج السرطان. يمكن إعطاؤها بشكل انتقائي للأورام الخبيثة وبالتالي تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة السليمة المجاورة.

في الصناعة:

من أهم التطبيقات الصناعية توليد الطاقة على أساس إطلاق الطاقة الانشطارية لليورانيوم تشمل التطبيقات الأخرى استخدام النظائر المشعة لقياس والتحكم في سماكة أو كثافة الصفائح المعدنية والبلاستيكية، لتحفيز الترابط المتبادل للبوليمرات، للحث على الطفرات في النباتات من أجل تطوير أنواع أقوى، وللحفاظ على أنواع معينة من الأطعمة عن طريق قتل الكائنات الحية الدقيقة التي تسبب التلف.
في تطبيقات التتبع، يتم استخدام النظائر المشعة، على سبيل المثال، لقياس فعالية زيوت المحركات على قابلية ارتداء السبائك لحلقات المكبس وجدران الأسطوانات في محركات السيارات.

في العلوم:

استفاد البحث في علوم الأرض بشكل كبير من استخدام تقنيات التأريخ الإشعاعي، والتي تستند إلى مبدأ أن نظيرًا مشعًا معينًا (الأصل المشع) في المواد الجيولوجية يتحلل بمعدل ثابت معروف للنظائر البنت.
باستخدام مثل هذه التقنيات، تمكن الباحثون من تحديد أعمار الصخور المختلفة والتكوينات الصخرية وبالتالي تحديد مقياس الوقت الجيولوجي، حيث أثبت التطبيق الخاص لهذا النوع من طريقة عمر النشاط الإشعاعي، التأريخ بالكربون 14؟
كما أنه مفيد بشكل خاص لعلماء الأنثروبولوجيا الفيزيائية وعلماء الآثار، حيث ساعدهم على تحديد التسلسل الزمني للأحداث الماضية بشكل أفضل من خلال تمكينهم من تحديد تاريخ الحفريات والتحف بشكل أكثر دقة من 500 إلى 50000 عام.
يتم استخدام أدوات تتبع النظائر المشعة في الدراسات البيئية، على سبيل المثال، تلك الخاصة بتلوث المياه في الأنهار والبحيرات وتلوث الهواء بواسطة النفايات السائلة المداخن.
كما تم استخدامها لقياس تيارات المياه العميقة في المحيطات ومحتوى الماء الثلجي في مستجمعات المياه، استخدم الباحثون في العلوم البيولوجية أيضًا أدوات التتبع المشعة لدراسة العمليات المعقدة، على سبيل المثال، أجريت آلاف دراسات التمثيل الغذائي للنبات على الأحماض الأمينية ومركبات الكبريت والفوسفور والنيتروجين.